新型GPS信號源的設計方案

頻率合成器是發(fā)射系統和接收系統中的核心器件，采用相位負反饋頻率控制技術(shù)，具有良好的窄帶載波跟蹤性能和帶寬調制跟蹤性能，為系統上、下變頻提供本振信號，對相位噪聲和雜散具有很好的抑制作用，通過(guò)鎖相頻率合成技術(shù)實(shí)現的頻率源已經(jīng)在雷達、通信、電子等領(lǐng)域得到了廣泛應用。

本文以GPS信號源設計為參考，介紹ADI公司的頻率合成器ADF4360-4在GPS信號源設計中的典型應用。

1 信號源系統組成

1.1 系統設計

根據文獻了解了GPS信號的結構特點(diǎn)，本文設計GPS信號源的目的是模擬衛星發(fā)射的GPS信號，也就是對GPS信號進(jìn)行基帶調制并產(chǎn)生頻率為1 575.42 MHz的GPS射頻信號，根據文獻，在系統總體設計中，采用超外差上變頻思路，根據系統設計特點(diǎn)，分數字電路和模擬電路兩部分，系統設計如圖1所示，數字電路部分設計采用軟件無(wú)線(xiàn)電的思路，利用FPGA芯片完成GPS信號的基帶調制和中頻調制，輸出8 b的GPS數字中頻信號，通過(guò)D/A器件轉換為模擬信號后送到模擬電路;模擬電路部分是整體設計的核心，主要是進(jìn)行射頻電路板的設計與實(shí)現，采用頻率合成器、混頻器等器件，對信號進(jìn)行混頻，濾波，功率控制等，將GPS中頻信號混頻調制到射頻信號，利用射頻電路完成上變頻功能。

1.2 模塊設計

(1)數字電路：數字電路部分就是基帶/中頻模塊設計，采用軟件無(wú)線(xiàn)電思路，根據文獻，利用FPGA芯片產(chǎn)生GPS導航電文(D碼)、C/A碼、數字中頻載波，對它們進(jìn)行基帶調制、擴頻調制輸出GPS數字中頻信號，其中GPS信號調制原理如圖2所示，主要由C/A碼模塊、D碼模塊、DDS模塊和調制模塊等組成。其中C/A碼模塊產(chǎn)生速率l.023MHz的第i顆衛星的C/A碼序列，C/A碼有1 023個(gè)碼片，持續周期是1 ms;D碼模塊產(chǎn)生速率50 Hz的第i顆衛星的導航電文(D碼);DDS模塊產(chǎn)生速率12.5 MHz的數字載波信號;調制模塊對C/A碼、D碼和載波信號進(jìn)行擴頻調制和BPSK調制，輸出12.5 MHz的GPS數字中頻信號。

(2)模擬電路：根據文獻，模擬電路部分就是射頻模塊設計，利用頻率合成器、混頻器、濾波器和衰減器等器件進(jìn)行射頻電路設計，基本原理如圖1所示的模擬部分，功能是將GPS信號由中頻搬移到射頻上，通過(guò)濾波器濾波，經(jīng)可調衰減器調整功率后輸出GPS射頻信號，完成上變頻功能。

2 頻率合成器ADF4360-4

2.1 工作原理及其性能

頻率合成器主要功能是為系統上下變頻提供本振信號，多應用于發(fā)射機和接收機系統設計中，通常由數字鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)、壓控振蕩器 (VCO)和可編程計數器(R計數器和N計數器)等組成，數字鑒相器(PD)對R計算器與N計數器的輸出信號進(jìn)行相位比較，得到一個(gè)誤差電壓，經(jīng)環(huán)路濾波器(LF)后控制壓控振蕩器(VCO)產(chǎn)生所需頻率。

頻率合成器ADF4360-4是ADI公司生產(chǎn)的高性能鎖相頻率合成芯片，是一款雙模前置分頻型單環(huán)頻率合成器，在不改變頻率分辨率時(shí)，能有效提高頻率合成器的輸出頻率;其主要性能有，輸出頻率范圍為1450～1750 MHz，可選擇二分頻，選擇二分頻時(shí)輸出信號頻率為725～875 MHz;工作電壓為3～3.6V;輸出信號的功率可控制范圍為-13～-4 dBm;可編程雙模前置分頻器的分頻比為8/9，16/17，32/33;能夠進(jìn)行模擬和數字鎖定檢測;芯片內部集成了VCO等。ADF4360-4的工作原理如圖3所示，P/(P+1)為高速雙模前置分頻器，其分頻模數為P+1和P，A為5位脈沖吞咽可編程計數器，B為13位主可編程計數器，R為14位可編程參考分頻器，MC為?？刂七壿嬰娐?。該器件通過(guò)可編程5位A計數器、13位B計數器及雙模前置分頻器(P/P+1)來(lái)共同確定主分頻比 N(N=BP+A)，14位可編程參考R分頻器對外部晶振分頻后得到參考頻率fr=f0/R，因此，設計時(shí)只需外加環(huán)路濾波器，并選擇合適的參考值，可獲得穩定的頻率輸出，其輸出頻率為f0=fi/R(A+BP)，式中，fi為輸入頻率，由外部晶振提供。

2.2 應用電路設計

在模擬電路射頻模塊中，頻率合成器ADF4360-4為混頻器提供本振信號，其應用電路如圖4所示，頻率合成器的模擬輸入是外部溫補晶振，晶振通過(guò)一個(gè)濾波器將標準時(shí)鐘送到ADF4360-4的16腳REFin;頻率合成器的輸出管腳是4腳：RFoutA和5腳RFoutB，這兩路輸出差分高頻信號，通過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò )和諧振濾波網(wǎng)絡(luò )送入混頻器的差分輸入端;第17～19管腳分別是頻率合成器初始化時(shí)控制數據的CLK腳、DATA腳、LE腳，與測試輸出用的20腳MUXOUT一并接到一個(gè)5針插頭，以便與FPGA芯片連接，作為其輸入輸出控制接口;12腳Cc為補償管腳，連一個(gè)電容接地;13腳 Rset用來(lái)設置電荷泵輸出最大電流的大小，電流大小由公式ICPmax=11.75/Rest決定，本電路中Rest=4.7 kΩ;14腳CN連一個(gè)電容接Vvco去耦;6腳VCO電源、21腳數字電源和2腳模擬電源分開(kāi)放置，分別加去耦電容;其他的模擬地和數字地直接接地。

2.3 初始化設計

頻率合成器ADF4360-4通過(guò)高速雙模前置分頻器P，5位脈沖吞咽可編程計數器A，13位主可編程計數器B和14位可編程參考R分頻器共同決定主分頻比，其輸出頻率為

。模擬電路中使用輸入晶振為fi=11.289 6 MHz，數字電路部分輸出GPS信號頻率為12.5 MHz，經(jīng)過(guò)推算可以設置頻率合成器參數A=5，B=34，P=8，因此頻率合成器輸出本振信號頻率為.f0=1 563.609 8 MHz。

頻率合成器ADF4360-4內部有3個(gè)24位寄存器，R寄存器、C寄存器和N寄存器，由于寄存器是用來(lái)暫存指令和數據的，每次掉電后原來(lái)寫(xiě)入寄存器的數據也就丟失了，因此每次上電時(shí)，必須重新給寄存器寫(xiě)入數據才能獲得所需的本振輸出。通電時(shí)寄存器數據寫(xiě)入順序是R寄存器、C寄存器和N寄存器，寄存器數據輸入程序用VHDL語(yǔ)言編寫(xiě)，采用FPGA芯片來(lái)控制，其中3個(gè)24位寄存器的初始化設置值如表1所示。其中每個(gè)寄存器最末兩位DBl和DB0用來(lái)決定目標寄存器，比如“01”代表R寄存器，“10”代表N寄存器，“00代表C寄存器;R寄存器的DBl5～DB2用來(lái)設置14位可編程參考分頻器R，N寄存器的DB20～DB8用來(lái)設置 13位主可編程計數器B，DB6～DB2用來(lái)設置5位脈沖吞咽可編程計數器A，C寄存器的DB23和DB22用來(lái)決定高速雙模前置分頻器P，比如“OO” 表示P=8，C寄存器的DBl3和DBl2用來(lái)設置輸出功率大小，例如“10”表示頻率合成器輸出功率大小是-7 dBm，可以根據實(shí)際需要調整輸出功率的大小

ADF4360-4的3個(gè)寄存器數據寫(xiě)入是通過(guò)ADI公司的FPGA芯片PlC6Q240C8的3個(gè)雙向I/O口來(lái)實(shí)現的，連接原理如圖4所示，FPGA芯片的3個(gè)雙向I/O口，分別連接ADF4360-4的LE腳、DATA腳、CLK腳，其中CLK為串行時(shí)鐘輸入，DATA為串行數據輸入，LE為加載使能。ADF4360-4初始化時(shí)序如圖5所示。首先由DATA腳在每個(gè)CLK的上升沿從MSB(最高有效位)開(kāi)始依次寫(xiě)入24位移位寄存器中的數據，并根據LE腳的上升沿信號一次性將輸入的24 b數據加載到目標寄存器，然后再進(jìn)行下一個(gè)目標寄存器的初始化，其中C寄存器和N寄存器的賦值間隔應該大于5 ms。

3 實(shí)驗結果

數字電路模塊的核心是基帶/中頻模塊，采用ADI公司的FPGA芯片EPlC6Q240C8，該芯片采用130 nm工藝，邏輯單元有5 980個(gè)，在Quart-usⅡ8.O平臺下測試，測試結果是GPS信號調制占用邏輯單元337個(gè)，采用ModelSim仿真平臺，編寫(xiě)TestBench測試文件，在ModelSim平臺下導出時(shí)長(cháng)1 ms的GPS信號數據，在Matlab上進(jìn)行功率譜分析，仿真波形如圖6(a)所示，中心頻率是12.5 MHm將基帶/中頻模塊輸出的GPS中頻信號送到安泰頻譜分析儀AT5011進(jìn)行頻譜分析，頻譜波形如圖6(b)所示，信號中心頻率為12.5 MHz，中頻信號能量主要集中在主瓣上，仿真結果和實(shí)測結果相符合。

模擬電路的射頻模塊在進(jìn)行PCB電路設計時(shí)，需要考慮的問(wèn)題是噪聲干擾，噪聲干擾是影響射頻電路性能的重要因素，在PCB布局時(shí)要考慮數字電路和模擬電路之間的干擾，大功率器件和小功率器件之間的干擾，供電電源的噪聲干擾，高頻線(xiàn)的布線(xiàn)及接地等因素。射頻模塊的驗證是觀(guān)察是否將GPS中頻信號上變頻為1 575.42 MHz的信號，測試中將射頻模塊輸出的GPS射頻信號經(jīng)60 dB衰減后送到頻譜分析儀，頻譜顯示信號是一個(gè)單頻信號，中心頻率是1 575.4 MHz，測試符合系統設定要求。

4 結語(yǔ)

通過(guò)分析頻率合成器ADF4360-4的工作原理、性能特點(diǎn)及其應用電路設計，結合GPS信號源設計，提出了以FPGA芯片和頻率合成器為核心的 GPS信號源的總體設計方案，分數字電路和模擬電路兩部分進(jìn)行了設計與實(shí)現，并給出了實(shí)驗測試。結果表明，以FPGA為核心的基帶/中頻模塊實(shí)現了GPS 信號的BPSK調制，擴頻調制，輸出了12.5 MHz的GPS中頻信號;以頻率合成器ADF4360-4為核心的射頻模塊完成了上變頻功能，將GPS中頻信號調制到射頻1 575.4 MHz上，測試滿(mǎn)足系統設計要求。